墻內(nèi)開花墻外也香
——NASA人工智能技術(shù)的推廣應(yīng)用

□ 宋征宇

墻內(nèi)開花墻外也香
——NASA人工智能技術(shù)的推廣應(yīng)用

□ 宋征宇

編者按：雖然目前飛行器要實(shí)現(xiàn)智能自主飛行還有很多難題要解決，但人工智能技術(shù)在航天的研究已由來已久，尤其在飛行器健康監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域，早在上世紀(jì)末期人工智能研究的第一波熱潮中，NASA就投入了大量研究并取得了一些成果。進(jìn)入新世紀(jì)后，NASA通過授權(quán)的形式，將一些軟件和算法轉(zhuǎn)讓給小型企業(yè)，一方面讓這些企業(yè)去市場(chǎng)推廣，另一方面也通過更廣泛的應(yīng)用對(duì)軟件不斷升級(jí)和完善，“反哺”航天，可謂一舉數(shù)得。

在好萊塢電影中，那些位于休斯敦任務(wù)控制中心（MCC），或者卡納維納爾角的地面支持中心，或者航天器控制中心的技術(shù)人員，神情凝重，行色匆匆，一副高冷的樣子。但是，未來他們的實(shí)際工作，也許會(huì)變得像喝著咖啡聊天一樣輕松，決定這一切的，就要看人工智能技術(shù)在多大程度上能夠取代人的工作。

在一切都已高度自動(dòng)化的控制中心，這些技術(shù)人員主要干些什么呢？對(duì)他們而言，最具挑戰(zhàn)性的工作是要在出現(xiàn)故障的緊急情況下及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)，而診斷出故障是這一切工作的前提條件。診斷得越早，留給他們的反應(yīng)時(shí)間就越多；如果能夠在故障繼續(xù)惡化前提前預(yù)示故障，那就有可能避免財(cái)產(chǎn)損失和任務(wù)失敗。為此，美國(guó)航宇局（NASA）的各個(gè)部門開發(fā)了多種軟件工具。

歸納式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

CEMSol是一家位于鳳凰城的小公司，其公司名稱是“綜合工程管理解決方案”的縮寫。在其創(chuàng)建者之一戴維·斯路理看來，未來航天器的每個(gè)系統(tǒng)均將會(huì)集成健康監(jiān)測(cè)的引擎，并且能夠與其他系統(tǒng)和部件進(jìn)行交互。而所謂的健康監(jiān)測(cè)，就好比人類向醫(yī)生描述自己的癥狀。但僅有此還不夠，誰來確診呢？

CEMSol公司與NASA首次合作還是在2003年，他們?yōu)榘匪寡芯恐行拈_發(fā)了一套健康監(jiān)測(cè)軟件，主要用于一種混合動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試床的監(jiān)測(cè)工作。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需要建立模型，并進(jìn)行仿真?！暗袝r(shí)建模很困難，于是我們提出，能否讓這些數(shù)據(jù)自動(dòng)去做這些工作。” 艾姆斯中心的戴維·艾弗森說道。他后來設(shè)計(jì)了被稱作歸納式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(IMS)的故障診斷系統(tǒng)。

任何被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)總會(huì)有各種傳感器測(cè)量溫度、壓力、流量、電壓和其他主要的信號(hào)。IMS收集這些傳感器的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘，判斷各種變量之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)正常工作下的基線狀態(tài)；而與正常狀態(tài)的偏離都有可能是個(gè)問題并會(huì)在不遠(yuǎn)的將來產(chǎn)生失效。

“這種技術(shù)能夠判斷任何系統(tǒng)中已知和未知的關(guān)系和異常，”斯路理說。一個(gè)人最多能夠理解5到7個(gè)實(shí)體間的相互關(guān)系，而IMS可以處理數(shù)以百計(jì)。這種技術(shù)無疑能大大解放勞動(dòng)力，不再需要眾多工程師緊盯屏幕緊張地分析各種數(shù)據(jù)，并且可以應(yīng)用到任何場(chǎng)合，只要有數(shù)據(jù)，并且有正常的基線狀態(tài)，它都能提前預(yù)示和判斷出系統(tǒng)中的故障。

到了2005年，休斯敦任務(wù)控制中心負(fù)責(zé)飛行器姿態(tài)控制的技術(shù)人員開始使用IMS，希望能用它查找陀螺儀失效的原因。到了2012年，休斯敦任務(wù)控制中心開始開發(fā)自己的IMS模型。如今，IMS被集成到肯尼迪空間中心的下一代發(fā)射控制系統(tǒng)中，并在2014年的試驗(yàn)性飛行中，用于監(jiān)測(cè)獵戶座飛船的電氣系統(tǒng)。IMS也被應(yīng)用于對(duì)F-18戰(zhàn)斗機(jī)和黑鷹直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)。

2012年，CEMSol公司獲得了NASA的授權(quán)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了兩個(gè)軟件包：桌面應(yīng)用軟件和軟件開發(fā)工具集。2014年，該公司開始銷售這款健康監(jiān)測(cè)軟件。該公司還與艾姆斯、洛馬公司合作，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于C-130軍用運(yùn)輸機(jī)，為此洛馬公司投資了7萬美元用于測(cè)試，但不久就獲得了10倍的回報(bào)，大大節(jié)省了維修費(fèi)用，縮短了任務(wù)延遲。“它能夠在系統(tǒng)失效前提前給出預(yù)警信號(hào)，即使是非常微弱的跡象也逃不過它的診斷?！彼孤防頌榇撕茏院馈?/p>

該公司正在繼續(xù)擴(kuò)大市場(chǎng)，“我們還沒有發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)不能應(yīng)用的場(chǎng)合，”目前該系統(tǒng)已用于分析天氣情況，預(yù)報(bào)暴風(fēng)雪、沙塵暴、雷雨等，甚至準(zhǔn)備用到人類健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域：通過對(duì)病人數(shù)據(jù)的分析預(yù)測(cè)健康問題，使得在大病發(fā)生之前能夠及時(shí)預(yù)防。

飛行器健康推理引擎

這是一款比IMS更加古老的軟件，如今卻成功應(yīng)用于在線定向廣告推送業(yè)務(wù)。隨著網(wǎng)上購(gòu)物的興起，我們一定體驗(yàn)到了這樣的經(jīng)歷：自從你買了某款產(chǎn)品后，你會(huì)經(jīng)常收到與其相似的產(chǎn)品的廣告郵件，甚至打開某個(gè)購(gòu)物網(wǎng)站，首先看到的也是類似的產(chǎn)品。這是許多公司引以為豪的用戶習(xí)慣分析系統(tǒng)做出的決策。如果你上一次的購(gòu)物體驗(yàn)很滿意，這種定向推送倒也能讓人接受；但如果購(gòu)物體驗(yàn)不好，你對(duì)買來的產(chǎn)品并不滿意，這種自作聰明的做法無疑在一次次勾起你的不愉快的回憶。

然而，這種情況即將得到改善！位于加州的Beyond Limits 公司得到了NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的授權(quán)，即將開發(fā)出一種更加智能的軟件，它不再機(jī)械地根據(jù)用戶購(gòu)買的記錄或搜索產(chǎn)品時(shí)鍵入的內(nèi)容來推送廣告，而是試圖理解用戶的最終意圖并推出合適的推薦廣告。這套軟件源自NASA的飛行器健康推理引擎，由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室推理、建模與仿真工作組的科學(xué)家馬克·詹姆斯開發(fā)。

SHINE本質(zhì)上是一套專家系統(tǒng)，它存貯了大量的人類知識(shí)（知識(shí)必須以一種計(jì)算機(jī)能夠理解的形式存貯），通過推理機(jī)制對(duì)某個(gè)命題進(jìn)行分析，找出最有可能或最接近的答案。SHINE與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)工具CLIPS（該工具也是由NASA開發(fā)的）相比，后者每秒執(zhí)行4萬條規(guī)則，需要占用20Mb的內(nèi)存，而SHINE每秒運(yùn)行100～300萬條規(guī)則，只占用20～30Kb的內(nèi)存（所需內(nèi)存減少了1000倍！）。

SHINE首次成功應(yīng)用于“旅行者”號(hào)飛行器，那已經(jīng)是1989年的事了。后來應(yīng)用場(chǎng)合不斷增多，也擴(kuò)展到了許多軍事領(lǐng)域。SHINE一直在持續(xù)改進(jìn)中，變得更快，更聰明，并已能嵌入到設(shè)備中，對(duì)儀表系統(tǒng)、機(jī)器人、信息安全系統(tǒng)等進(jìn)行故障診斷。

Beyond Limits公司還得到了NASA的另一個(gè)授權(quán)產(chǎn)品：Hunter。這是6年前詹姆斯開發(fā)的自然語言理解系統(tǒng)。一般分析自然語言的系統(tǒng)采用模式匹配和語法分析的手段，而Hunter采用單一的“代表性陳述”并能形成上百種方式去改述它，從而尋求這句話的真正意圖而不單純從語法上去解析它。

Beyond Limits成立于2012年，得到NASA授權(quán)后，著手將這些軟件用于在線定向廣告推送。在當(dāng)今社會(huì)，各大公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在線廣告更加普及，手機(jī)、平板設(shè)備、可穿戴設(shè)備……人們可以隨時(shí)獲取各種信息。但成千上萬的在線廣告既令用戶無所適從，也讓各公司覺得很難突出自身特點(diǎn)。

如何更有效地定位用戶需求并有目標(biāo)地推送廣告呢？這正是Beyond Limits所要解決的。軟件試圖理解用戶一定時(shí)期內(nèi)的真正意圖，它假設(shè)任一互聯(lián)網(wǎng)用戶最初的意圖和觀點(diǎn)是不確定的，并且隨著時(shí)間會(huì)改變。例如某個(gè)人查看了玩具商店，可能僅僅是在搜尋嬰兒沐浴禮物，并不是要購(gòu)買玩具。通過Hunter，該軟件不僅僅判斷用戶參觀的網(wǎng)頁地址，還分析他所閱讀的特定內(nèi)容，并結(jié)合SHINE推理出用戶的真正意圖。

隨著商業(yè)市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用，NASA自身也受益，包括SHINE在內(nèi)的軟件不斷得到升級(jí)完善。

經(jīng)過多年的研究，NASA在故障診斷和健康監(jiān)測(cè)管理方面使用的工具逐漸集中到三類：SHINE，IMS和TEAMS。其中SHINE是早期的產(chǎn)品，采用專家系統(tǒng)技術(shù)；而IMS是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的自學(xué)習(xí)機(jī)制，使用更加靈活；TEAMS則是基于模型的推理。故障診斷和健康監(jiān)測(cè)管理是人工智能技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的領(lǐng)域，對(duì)這些軟件或工具而言，診斷的準(zhǔn)確性和可信度是至關(guān)重要的，但這需要大量的樣本來檢測(cè)，正常狀態(tài)和異常狀態(tài)的樣本都需要。然而僅靠航天工業(yè)自身無法提供足夠的樣本，因此NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，還不如看作是利用其它領(lǐng)域的應(yīng)用來完善設(shè)計(jì)。并且故障的誤診或漏診可能造成航天項(xiàng)目的重大損失，但對(duì)商業(yè)應(yīng)用而言，不恰當(dāng)?shù)膹V告推送最多損失了一些潛在的客戶，基本沒有風(fēng)險(xiǎn)，何樂不為呢！

編后語：有了IMS，是否可以不用去看醫(yī)生呢？想想自己每每瀏覽一個(gè)網(wǎng)頁，竟有一些軟件在背后分析自己的意圖！人工智能帶給我們的究竟是喜還是憂？但不管怎樣，這些技術(shù)對(duì)降低航天成本、減少人力開支還是大有裨益的。